基于逆变器中直流母线电容的纹波电流的研究

供稿：万洲电气股份有限公司

  • 关键词：逆变器,,直流母线电容,,纹波电流
  • 作者：林武生
  • 摘要：针对逆变器中直流母线电容的纹波电流是影响逆变器性能的关键因数之一，本文通过对逆变器工作过程的分析确定出具体的计算公式，以此用来作为逆变器中直流母线电容的设计参考，从整体上提升逆变器设计的可靠性。

Abstract:The inverter DC bus capacitor ripple current is the key factor of influence of inverter, the inverter work process analysis identify specific calculation formula, which used as inverter DC bus capacitor design reference, enhance the overall reliability of the inverter design.

Key words: Inverter  DC link capacitor Ripple current
 
一、    前言
         在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电制动状态；或当电动机从高速到低速（含停车）减速时，频率可以突减，但因电机的机械惯性，电机可能处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升；如果当制动过快或机械负载为提升机类时，这部分能量就可能对变频器带来损坏，这里我们首先采用大容量的电解电容进行直流储能和滤波，然后采用逆变技术将这部分再生能量反馈回到电网，实现能量的再生利用。
         该逆变器中使用的大容量电解电容主要有如下几个方面的作用：
1、 提供逆变器电力电子器件的输入电流；
2、 减小逆变器电力电子器件开关频率的电流谐波；
3、 提供瞬时峰值功率；
4、 保护逆变器免受直流电压瞬时峰值的冲击；
       电解电容器设计选型所需要考虑的主要因素有以下几方面：电解电容器的耐压值、容值、电容器的纹波电流、电容器的温升和散热、电容器的使用寿命等。那么电解电容的纹波电流的计算如何能明确给出计算依据是本文所需要解决的问题。
二、    直流母线电容纹波电流的计算
         纹波电流指的是流过电解电容器的交流电流，它会使电解电容器发热。纹波电流额定值的确定方法是在额定工作温度下规定一个允许的温升值，在此条件下电容器符合规定的使用寿命要求。当工作温度低于额定温度时额定纹波电流可以加大，但过大的纹波电流会大大缩短电容器的耐久性，当纹波电流超过额定值时，纹波电流所引起的内部发热每升高5℃时，电容器的寿命会相应地减少50%，因此当要求电解电容器具有长寿命性能时，控制并降低纹波电流就显得尤为重要了。
         但在实际设计过程中，电解电容器的纹波电流由于受逆变器输入输出的各物理量变化以及控制方式等的影响很难直接计算得到，一般多采用根据实际经验估算大小，如每1A的纹波电流需要40-60uF的电解电容器的容值或者是8-10uF的薄膜电容的容值，也可以通过计算机仿真来估算电解电容器的容值。
 
    
本文通过逆变器主回路拓扑结构与开关调制方式的分析，并借鉴相关资料和文献，归纳出一个直接的计算电解电容器纹波电流的方法，作为大家设计参考。由图一可以得到直流母线电容的纹波电流i2=i0-i1,其中i0和i1分别是直流母线输出电流和逆变器输入电流，而这两个电流又可以分解为直流分量与交流分量的和，如下式所示：
i1=Iavg+iac                                                                                                                                  （1）
 
i0=IL.avg+IL.ac                                                                                                                            （2）
因此可以得到：i2=IL.ac-iac                                                                                                         （3）
很显然，直流母线电容的负载仅仅由上面两个电流的交流分量构成，逆变器输入电流的直流电流分量直接由整流桥供给，即：
                                                           （4）
其中I0.rms为逆变器输出电流有效值，m为调制比，Φ为逆变器输出电压与电流的相角差。由于Il.ac和iac不包含同频谐波分量，因此根据帕瑟瓦尔定理（Parsaval’s Theorem）有下式成立：
I2c.rms=I2ac.rms+I2L.rms                                                                                                              （5）
         可以看出，直流母线电容中的纹波电流的有效值只要由两部分组成，一是来自整流器的交流分量IL.rms，而另一个是来自PWM逆变器的交流分量Iac.rms。为了简化，这里先只考虑计算I2c.rms.1=I2ac.rms，后面再考虑IL.rms的计算。在上述假设前提下，可以进一步得到下式：
I2c.rms.1=I2rms-I2avg                                                                                                                    （6）
根据文献[1]的结论有下式成立：（7）
 
经过数学推导最终可以得到下式：
 
由上式可见：直流母线电容电流的纹波与逆变器输入电压和频率、输出电流、负载功率因数、PWM调制比、电容容值、允许直流电压脉动率等因素密切相关。
三、    实例设计
         以某型逆变器为例，逆变器具体参数为：输出功率为110kW,负载为三相异步电动机。假定其中直流母线脉动率为5%，PWM调制比为0.9，负载电网的功率因数为0.85.具体直流母线电容的设计计算与选型如下：
         考虑逆变器采用常规的两电平拓扑结构，直流母线电压为Udc=720V，得到U=若采用耐压为450V的电解电容，则需要2个电容串联形成一组，然后多组并联后满足总电容量要求。
根据公式（9）可以得到最小的直流母线电容为：
 
根据公式（13）可以得到流过直流母线电容的纹波电流为Ic.rms=95.6A。初步选择4700uF/450V的电容器四串四并组成，共8个电容，其等效电容为C=9400uF。
         查阅产品手册得到该系列电容YDK-CD136的允许纹波电流为12.94A（在105℃/120Hz时），则总的电容器允许纹波电流为8*12.94A=103.52A>Ic.rms=95.6A,满足上面的计算要求。实验仿真的结果页同样验证了该计算方法的有效性。
四、    结束语
         本文通过分析计算给出了一种较为精确的逆变器直流母线电容纹波电流计算方法，对于逆变器设计过程中，合理选择电解电容器这一关键器件，具有很重要的指导意义。既避免了设计的盲目性，也便于产品设计开发的周期。
 
 
参考文献
[1]           J.W.Kolar and S.D.Round, Analytical calcutation of the RMS current stress on the DC-link capacitor of voltage PWM converter sustems,IEE Proc.Electr. Power Appl. , p535-543, Vol.153,  No.4 ,July 2006.
[2]           Frederick D . Kieferndorf, Matthias Foster and Thomas A. Lipo, Reduction of DC bus capacitor ripple current with PAM/PWM converter, IEEE Trans. On IA, Vol.40, No.2, p607-614, April 2004.
[3]           Ziogas, P.D., Wiechmann, E. P. ,and Stefanovic , V.R., A computer-aided anslysis an designapproach for static voltage source inverters, IEEE Trans,Ind. Appl., Vol.21, p1234-1241, 1985.
[4]           Taufiq, J. A. , Goodman, C.J., and Mellitt, B., Railway signaling compatibility of inverter fed induction motor drives for rapid transit, IEEProc.-Electr. Power Appl., Vol.133, No.2 ,p71-84, 1986.
[5]           Taufiq , J.A., A simple method of calculating inverter DC side current harmonics , Proc. 3rd European Conf. Power Electronics and Applications, p93-97, 1989.
[6]           Evans, P.D.,and Hill-Cottingham, R.J., DC link current in PWM inverters, IEE Proc. –Electr. Power Appl., Vol.133 ,No.4, p217-224, 1986.

发布时间：2013年3月8日 10:08  人气：  
更多内容请访问（万洲电气股份有限公司）
相关链接
() ()

我有需求